冶炼烟气制酸技术及控制研究进展

冶炼烟气制酸技术及控制研究进展

曲静,张溢轩

山东恒邦冶炼股份有限公司 山东省 烟台市 264100

摘要：在自然界中,有色金属矿物通常以硫化物的形式存在,这导致在熔化阶段容易形成大量含有二氧化硫的烟气。在熔炼工艺、设备和原材料的影响下,有色烟气种类相对较多,同时性能差异较大,烟气含量较大,有一定的波动性,烟气中二氧化硫的浓度范围相对较宽,给烟气环保工作带来了严重的问题。近年来,在有色金属工业快速发展的过程中,有色金属的产量和产量呈现快速增长态势,对于许多有色金属,我国已达到世界先进水平。从烟气熔炼制酸环境管理技术的发展来看,也有多样化的趋势,不同浓度的二氧化硫烟气的处理方法也不同。由于引进了世界先进的工业生产技术和设备,我国在烟酸生产的彩色冶炼和环境管理方面取得了显着的成就,为环境保护提供了可靠的保证。

关键词：冶炼；烟气制酸技术；控制

引言

随着我国工业进程的不断加快,经济快速发展,各种行业对有色金属的需求量与日俱增.然而,在自然界中,有色金属矿物多以硫化物的形式存在,因此,在其冶炼过程中会产生大量的含有二氧化硫(SO2)的烟气.含有SO2的烟气直接排放到大气中,会造成空气污染、土壤酸化等一系列的环境问题.因此,如何有效地控制烟气中的SO2,是一个迫切需要解决的问题.由于冶炼烟气中SO2浓度高、变化范围广,目前已有一套比较成熟的烟气脱硫工艺———烟气制酸.冶炼烟气制酸工艺是通过对烟气中SO2的回收,生产高浓度的硫酸.

1有色冶炼烟气工况特点

近年来,我国在有色金属、矿产资源丰富的冶炼方面取得了显著进展,同时伴生金属种类繁多,在富矿资源短缺的情况下,冶炼企业必须使用大量的低品位矿石,以及复杂的多元矿石,这对冶炼工艺和具体操作提出了更高的要求。同时,这也导致烟气的体积和成分频繁波动,使有害杂质(如一氧化碳,水银,重金属和氯)难以处理。用于有色金属的熔化,如铜,铅,锌等。栋在工艺方面已经在行业领先,同时熔融气体的体积相对稳定,二氧化硫浓度高,φ(SO2浓度)一般在7.0%～28.0%之间,可进行酸回收。然而,对于一些稀有贵金属的熔化,由于工艺的限制,烟气含量相对较大,而二氧化硫的浓度较低,酸的回收相对困难。

2冶炼烟气制酸工艺流程发展现状

冶炼烟气制酸工艺的关键环节是转化过程.烟气中的SO2转化为SO3的转化率越高,则后续生产的硫酸的品质越高,硫的回收率就越高,对环境的污染就越小.同时,由于硫的回收率较低,脱硫效果差,对环境造成很大污染,需要尾气处理装置进一步对废气进行处理.不同的转化过程会显著地影响转化率.因此,按照转化工艺的不同,冶炼烟气制酸可分为“一转一吸冶和“两转两吸冶两大类.“一转一吸冶流程即一次转化一次吸收的工艺.含有SO2的烟气一次通过转化器中全部的催化剂床层,催化氧化生成的SO3进入吸收塔内被吸收生成硫酸.在吸收塔中,反应结束后未经转化的SO2气体将不再进入转化器.SO2向SO3的转化是可逆的,受催化剂的用量和平衡转化率的影响,“一转一吸冶的转化率在理论上可达97郾5%~98郾0%.然而,在这样的转化率下,硫的回收率较低,同时尾气中SO2的含量远远超过排放标准,必须加装尾气处理装置.与前面提到的干法脱硫工艺相似,尾气处理装置利用碱性吸收剂吸收SO2,生成亚硫酸盐或硫酸盐.由于“一转一吸冶的转化率较低,往往不适用于大中型企业,“两转两吸冶工艺便应运而生.“两转两吸冶流程即2次转化2次吸收的工艺.转化器一层出来的气体经第1热交换器后进入转化器二层进行催化转化,而后经第2热交换器进入转化器三层进行催化转化,最后经第1、3热交换器后进入第1吸收塔制取硫酸.第1吸收塔出来的气体经第4、2热交换器进入转化器四层进行催化氧化,而后经第4热交换器进入第2吸收塔制取硫酸.至此,“3+1冶模式的“两转两吸冶流程已经完成,2次转化过程的总转化率可达到国家标准,尾气可直接排放.除“3+1冶模式的“两转两吸冶流程外,还有“3+2冶“4+1冶模式的“两转两吸冶流程,只是每次转化所需的转化次数不同.

3冶炼烟气制酸工业技术分析

3.1活性焦脱硫工艺

针对活性焦脱硫过程中存在的问题,贵嘉采取了以下改进措施:1)采取高置换率、高再生率、高吸附速率的措施,保证吸附率:1)将活性焦在脱硫塔内快速输送至再生塔内进行SO2净化,然后返回脱硫塔内,以加快活性焦的置换效率;(2)提高再生塔内的温度,使有源焦点快速再生,提高再生速度;严格控制脱硫塔内的温度,提高活性SO2的吸附速率。2)在再生塔上增加再生气负压平衡,结合再生气风机的运行,保证再生塔内负压稳定。3)及时补充活性焦炭,保证循环量。4)在再生器底部安装振动装置,以优化再生器的装载,同时添加氮气冷却管,以保证装载温度。在仪器室内增加再生塔装载温度控制点,加强再生塔装载温度监测。5)加强对脱硫装置的现场检查,监测脱硫塔顶部的液位和温度,再生塔底的负荷状态和材料温度,以确保活性炭温度的稳定性和材料的安全性。

3.2WSA工艺

WSA工艺是丹麦Topso公司在20世纪80年代中期开发的一种新型湿法制酸工艺,可用于加工各种含硫气体,产品是商用浓硫酸。自进入中国市场以来,该工艺已被公认为处理低浓度气体的最佳工艺之一。WSA过程实际上是一个催化反应过程。特别适用于处理SO2浓度低的酸性气体,不能用常规硫酸工艺处理,SO2浓度可低至百分之几;2、还可加工含水量较高的工艺气体,加工前无需干燥,即使酸性气体中含有30%～50%的多余水分,成品酸的质量可达93%～94%;工艺简单,硫回收率99%以上。回收工艺热量大,运行经济,当酸性气体的体积比SO2低于3%,仍可自加热运行;基本没有二次污染。

3.3烟气制酸系统控制策略

在冶炼烟气制酸系统的智能优化控制中,控制器的设计是关键.烟气制酸系统中,许多变量如一级动力波入口压力、风机出口压力、转化器入口温度等都需要进行调节控制,同时控制器的设计既要满足系统的性能指标,又要保证系统的稳定性.针对冶炼烟气制酸系统进行了软硬件设计,采用专家控制策略实现了风量阀门的准确调节,通过模糊控制策略实现了风机转速的调节,最终实现了从集散控制系统读取过程数据并实时下发控制量的功能.采用数据驱动的方法建立一级动力波入口压力的wiener模型,对其设计广义预测控制器,研究发现该广义预测控制器对一级动力波入口压力具有较好的控制效果.冶炼烟气制酸是一个整体过程,通过对该过程设计全流程优化控制方案,在保证SO2转化率的前提下,达到降低成本、提高硫酸质量和产量、实现系统高效运行的目的.网络通信技术的快速发展和大量基础自动化设备的应用,为烟气制酸过程的全流程优化控制奠定了重要的基础.基于高速发展的通信网络,信息物理系统(CPS)为实现烟气制酸的全流程优化提供了框架.CPS主要由感知层、网络层和决策层3个部分组成.在CPS框架下,感知层利用数据采集系统,实时获取烟气制酸过程中烟气流量、风机出口压力、转化器入口温度及阀门开度等参数和设备状态信息.网络层利用数据驱动的方法对数据进行建模分析以达到可视化的目的.决策层依据监测状态和生产需求进行优化控制计算,最后将控制信号通过网络发送至执行机构,从而达到对CPS框架下的冶炼烟气制酸系统的智能优化控制.

结束语

目前,关于冶炼烟气制酸的工艺流程、建模、优化和控制等方面已经取得大量研究成果,可以发现我国的冶炼烟气制酸的总体水平已经得到长足发展,技术水平和发展规模均进入世界前列.

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